JP2014042998A - 射出成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内の樹脂の状態をモニタできる射出成形機を提供すること。
【解決手段】射出成形機１０は、成形材料が供給されるシリンダ１１と、シリンダ１１内に回転自在に且つ軸方向に移動自在に配設されるスクリュ１３と、シリンダ１３を加熱する少なくとも１つの加熱源Ｈ_ｎと、加熱源Ｈ_ｎ毎に、成形時における加熱源Ｈ_ｎの加熱エネルギーＥｍ_ｎと、定常時における加熱源Ｈ_ｎの加熱エネルギーＥｉ_ｎとの差ΔＥ_ｎ（ΔＥ_ｎ＝Ｅｍ_ｎ−Ｅｉ_ｎ）を監視する監視部６３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、射出成形機に関する。

射出成形機は、成形材料としての樹脂ペレットが供給されるシリンダと、シリンダ内に配設されるスクリュと、シリンダを加熱する加熱源（例えばヒータ）とを備える。スクリュのねじ溝内に供給された樹脂は、スクリュの回転に伴ってシリンダ内を前方に移動しながら、徐々に溶融される。スクリュの前方に一定量の溶融樹脂が蓄えられると、スクリュが前進させられ、シリンダの先端部に形成されるノズルから溶融樹脂が射出され、金型装置のキャビティ空間に充填される。充填された溶融樹脂を固化させることによって成形品が得られる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１０３８７５号

従来、射出成形機のコントローラは、シリンダ内における樹脂の状態を決める要因として、シリンダの温度、ヒータの発熱量等を監視していたが、シリンダ内の樹脂の状態は分からなかった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、シリンダ内の樹脂の状態をモニタできる射出成形機の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様による射出成形機は、
成形材料が供給されるシリンダと、
前記シリンダ内に回転自在に且つ軸方向に移動自在に配設されるスクリュと、
前記シリンダを加熱する少なくとも１つの加熱源と、
加熱源毎に、成形時における加熱源の加熱エネルギーＥｍと、定常時における加熱源の加熱エネルギーＥｉとの差ΔＥ（ΔＥ＝Ｅｍ−Ｅｉ）を監視する監視部とを備える。

本発明によれば、シリンダ内における樹脂の状態をモニタできる射出成形機が提供される。

本発明の一実施形態による射出成形機を示す図である。 本発明の一実施形態による射出成形機の要部を示す図である。 設定温度が低温のときの、成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎと、定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎとの差ΔＥ_ｎの一例を示す図である。 設定温度が高温のときの、成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎと、定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎとの差ΔＥ_ｎの一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態による射出成形機を示す図である。以下、樹脂の射出方向を前方とし、樹脂の射出方向とは反対方向を後方として説明する。

射出成形機１０は、シリンダ１１内で溶融した樹脂をノズル１２から射出し、金型装置内のキャビティ空間に充填する。金型装置は固定金型及び可動金型で構成され、型締め時に固定金型と可動金型との間にキャビティ空間が形成される。キャビティ空間で冷却固化された樹脂は、型開き後に成形品として取り出される。成形材料としての樹脂ペレットは、ホッパ１６からシリンダ１１の後部に供給される。

尚、ホッパ１６の代わりに、シリンダ１１に樹脂ペレットを定量供給する材料供給装置（例えばスクリュフィーダ）が設けられてもよい。

射出成形機１０は、シリンダ１１内に配設されるスクリュ１３を回転させる計量用モータ４１を備える。計量用モータ４１は、サーボモータであってよい。計量用モータ４１の回転は、ベルトやプーリ等の連結部材４２を介して、射出軸４３に伝えられ、スクリュ１３が回転される。そうすると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）が動き、スクリュ１３のねじ溝内に供給された樹脂が前方に送られる。

射出成形機１０は、スクリュ１３を軸方向に移動させる射出用モータ５１を備える。射出用モータ５１は、サーボモータであってよい。射出用モータ５１の回転はボールねじ軸５２に伝えられる。ボールねじ軸５２の回転により前後進するボールねじナット５３はプレッシャプレート５４に固定されている。プレッシャプレート５４は、ベースフレーム（図示せず）に固定されたガイドバー５５、５６に沿って移動可能である。プレッシャプレート５４の前後進運動は、ベアリング５７、樹脂圧力検出器（例えばロードセル）５８、射出軸４３を介してスクリュ１３に伝えられ、スクリュ１３が進退される。スクリュ１３の進退量は、プレッシャプレート５４に取り付けられる位置検出器５９で検出される。

射出成形機１０の動作は、コントローラ６０によって制御される。コントローラ６０は、ＣＰＵ及びメモリ等で構成され、メモリ等に記憶されたプログラムをＣＰＵで実施させることにより、各種機能を実現する。コントローラ６０は、例えば計量工程を制御する計量処理部６１、充填工程を制御する充填処理部６２を備える。

次に、射出成形機１０の動作について説明する。

計量工程では、計量処理部６１が、計量用モータ４１を回転駆動し、スクリュ１３を回転させる。そうすると、スクリュ１３のフライト（ねじ山）が動き、スクリュ１３のねじ溝内に供給された樹脂ペレットが前方に送られる。樹脂は、シリンダ１１内を前方に移動しながら、シリンダ１１からの熱等で加熱され、シリンダ１１の先端部において完全に溶融した状態となる。そして、スクリュ１３の前方に溶融樹脂が蓄積されるにつれ、スクリュ１３は後退する。スクリュ１３が所定距離後退し、スクリュ１３の前方に所定量の樹脂が蓄積されると、計量処理部６１は計量用モータ４１の回転を停止させ、スクリュ１３の回転を停止させる。

充填工程では、充填処理部６２が、射出用モータ５１を回転駆動し、スクリュ１３を前進させ、型締め状態の金型装置内のキャビティ空間に溶融樹脂を押し込む。スクリュ１３が溶融樹脂を押す力は、樹脂圧力検出器５８により反力として検出される。つまり、スクリュ１３にかかる樹脂圧力（樹脂の射出圧）が検出される。キャビティ空間で樹脂が冷却によって収縮するので、熱収縮分の樹脂を補充するため、保圧工程では、スクリュ１３にかかる樹脂圧力（樹脂の射出圧）が所定の圧力に保たれる。

図２は、本発明の一実施形態による射出成形機の要部を示す図である。

射出成形機１０は、シリンダ１１と、シリンダ１１内で樹脂を送るスクリュ１３と、シリンダ１１を加熱する複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４と、シリンダ１１の後部を冷却する冷却装置３０とを備える。

スクリュ１３は、シリンダ１１内に回転自在に且つ軸方向に移動自在に配設される。スクリュ１３は、スクリュ回転軸１４と、スクリュ回転軸１４の周りに螺旋状に設けられるフライト１５とを一体的に有する。スクリュ１３が回転すると、スクリュ１３のフライト１５が動き、スクリュ１３のねじ溝内に供給された樹脂ペレットが前方に送られる。

スクリュ１３は、例えば図２に示すように、軸方向に沿って後方（ホッパ１６側）から前方（ノズル１２側）にかけて、供給部１３ａ、圧縮部１３ｂ、計量部１３ｃとして区別される。供給部１３ａは、樹脂を受け取り前方に搬送する部分である。圧縮部１３ｂは、供給された樹脂を圧縮しながら溶融する部分である。計量部１３ｃは、溶融した樹脂を一定量づつ計量する部分である。スクリュ１３のねじ溝の深さは、供給部１３ａで深く、計量部１３ｃで浅く、圧縮部１３ｂにおいて前方に向かうほど浅くなっている。尚、スクリュ１３の構成は特に限定されない。例えばスクリュ１３のねじ溝の深さは、一定であってもよい。また、スクリュ圧縮比が一定であってもよい。スクリュ圧縮比はねじ溝の容積比のことであり、ねじ溝の深さ、フライトピッチ、フライト幅等で決まる。

加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４としては、例えばシリンダ１１を外側から加熱するヒータが用いられる。ヒータは、シリンダ１１の外周を囲むように設けられる。

複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４は、シリンダ１１の軸方向に沿って配列され、シリンダ１１を軸方向に複数のゾーン（図３では４つのゾーンＺ_１〜Ｚ_４）に分けて個別に加熱する。各ゾーンＺ_１〜Ｚ_４の温度が設定温度になるように、複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４がコントローラ６０によってフィードバック制御される。各ゾーンＺ_１〜Ｚ_４の温度は、温度センサＳ_１〜Ｓ_４により測定される。尚、ノズル１２にも加熱源が設けられてよい。

冷却装置３０は、複数の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４よりも後方に設けられる。冷却装置３０は、シリンダ１１の後部を冷却し、シリンダ１１の後部やホッパ１６内で樹脂ペレットのブリッジ（塊化）が生じないように、樹脂ペレットの表面が溶融しない温度にシリンダの後部の温度を保つ。冷却装置３０は、水や空気等の冷媒の流路３１を有する。

図３は、設定温度が低温のときの、成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎと、定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎとの差ΔＥ_ｎ（ΔＥ_ｎ＝Ｅｍ_ｎ−Ｅｉ_ｎ）の一例を示す図である。図３において、斜線は、ゾーンＺ_３の設定温度を１０℃上げ、ゾーンＺ_４の設定温度を２０℃上げたときの変化を示す。Ｅｍ_ｎ、Ｅｉ_ｎ、ΔＥ_ｎの番号ｎは、加熱源Ｈ_ｎが設けられるゾーンＺ_ｎの番号ｎを表す。ゾーンＺ_ｎの番号ｎ（図３ではｎ＝１、２、３、４）が大きくなるほど、ゾーンＺ_ｎの位置が冷却装置３０から遠くなる。ここで、「定常時」とは、スクリュ停止状態でシリンダ１１の温度を設定温度に維持する時を意味する。

成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎは、所定時間（例えば１回の成形、或いは１回の計量工程等）の間に加熱源Ｈ_ｎがゾーンＺ_ｎに供給するエネルギー（Ｊ）のことである。成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎは、加熱源Ｈ_ｎがヒータの場合、ヒータが上記所定時間の間に消費する電力量と等価である。電力量は、加熱源Ｈ_ｎに接続される電力量計Ｐ_ｎにより測定される。

成形時には、スクリュ１３の動作によって樹脂に剪断熱が生じる。樹脂の剪断熱は、スクリュ１３が回転しながら後退する計量工程で主に発生する。樹脂の剪断熱量がある程度多くなると、樹脂からシリンダ１１に熱が移動するようになる。また、成形時には、ホッパ１６からシリンダ１１に新たな樹脂ペレットが順次供給され、シリンダ１１と樹脂との間で熱がやり取りされる。

定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎは、上記所定時間と同じ時間の間に加熱源Ｈ_ｎがゾーンＺ_ｎに供給する熱エネルギー（Ｊ）のことである。定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎは、成形開始直前に、電力量計Ｐ_ｎにより測定されてよい。成形開始直前に、シリンダ１１の温度は設定温度で安定化している。尚、定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎは、シミュレーション等により算出することも可能である。

定常時には、スクリュ１３が停止しているので、樹脂に剪断熱が生じない。また、定常時には、ホッパ１６からシリンダ１１に新たな樹脂ペレットが供給されないので、シリンダ１１内に樹脂が残っていても、成形時に行われるシリンダ１１と樹脂との間での熱のやり取りはほとんどない。

コントローラ６０は、加熱源Ｈ_ｎ毎に、成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎと、定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎとの差ΔＥ_ｎ（ΔＥ_ｎ＝Ｅｍ_ｎ−Ｅｉ_ｎ）を監視する監視部６３を備える。差ΔＥ_ｎが正の場合、ゾーンＺ_ｎの温度を設定温度に保つための加熱源Ｈ_ｎの熱量が増えており、加熱源Ｈ_ｎの熱がシリンダ１１を介して樹脂に移動している。従って、差ΔＥ_ｎが正であることは、ゾーンＺ_ｎにおいてシリンダ１１の熱が樹脂に移動していることを示している。一方、差ΔＥ_ｎが負の場合、ゾーンＺ_ｎの温度を設定温度に保つための加熱源Ｈ_ｎの熱量が減っており、樹脂の熱がゾーンＺ_ｎに流れ込んでいる。従って、差ΔＥ_ｎが負であることは、ゾーンＺ_ｎにおいて樹脂の熱がシリンダ１１に移動していることを示している。樹脂の剪断熱量が大きくなるほど、差ΔＥ_ｎが小さくなる。このように、差ΔＥ_ｎから、成形時に樹脂で生じる定性的な剪断熱量、成形時におけるシリンダ１１と樹脂との間での熱の移動方向や移動量がわかり、シリンダ１１内の樹脂の状態がわかる。

図３に示すように、各ゾーンＺ_ｎの設定温度が一律に低い温度であると、スクリュ動作時に樹脂が強く剪断され、樹脂に生じる剪断熱量が増える。樹脂に生じる剪断熱量は、加熱源の加熱量と異なり、制御困難である。

そこで、監視部６３は、監視結果に基づいて、加熱源Ｈ_ｎによって加熱されるゾーンＺ_ｎの設定温度を調整してよい。監視部６３は、少なくとも１つの加熱源Ｈ_ｎでの差ΔＥ_ｎが下限値ΔＥｍｉｎ_ｎを下回る場合（ΔＥ_ｎ＜ΔＥｍｉｎ_ｎ）、少なくとも１つのゾーンＨ_ｎの設定温度を高くする。設定温度をどの程度高くするかは、差ΔＥ_ｎが下限値ΔＥｍｉｎ_ｎをどの程度下回るかに基づいて決定されてよい。

例えば、監視部６３は、図３に斜線で示すように、差ΔＥ_ｎが下限値ΔＥｍｉｎ_ｎを下回るゾーン（図３の場合、ゾーンＺ_３、Ｚ_４）の設定温度を高くする。加熱源Ｈ_３、Ｈ_４の出力が高くなり、ゾーンＺ_３、Ｚ_４における樹脂の温度が高くなり、溶融した樹脂の粘度が下がるため、樹脂に生じる剪断熱を低減でき、シリンダ温度の安定性を向上できる。

尚、監視部６３は、差ΔＥ_ｎが下限値ΔＥｍｉｎ_ｎを下回るゾーンＺ_３、Ｚ_４よりも冷却装置３０に近いゾーンＺ_１、Ｚ_２の設定温度を高くしてもよい。シリンダ１１内を前方に移動する樹脂がゾーンＺ_３に到達するまでに十分に温められ、樹脂に生じる剪断熱量を低減できる。ゾーンＺ_３、Ｚ_４の設定温度の変更が困難な場合に、特に有効である。

尚、下限値ΔＥｍｉｎ_ｎは、図３では複数の加熱源Ｈ_ｎで同じ値に設定されているが、加熱源Ｈ_ｎ毎に異なる値に設定されてもよい。

図４は、設定温度が高温のときの、成形時の加熱エネルギーＥｍ_ｎと、定常時の加熱エネルギーＥｉ_ｎとの差ΔＥ_ｎの一例を示す図である。図４において、斜線は、ゾーンＺ_１の設定温度を２０℃下げ、ゾーンＺ_２の設定温度を１０℃下げたときの状態を示す。

図４に示すように、各ゾーンＺ_ｎの設定温度が一律に高い温度であり、加熱源Ｈ_ｎの加熱量が多く、樹脂の剪断熱量が少ないと、全てのゾーンで、シリンダ１１から樹脂に熱が移動する。その移動量は、冷却装置３０に近いゾーンほど多くなる。シリンダ１１から樹脂への熱の移動量が多すぎると、加熱源Ｈ_ｎの出力が定格出力に達しているか、定格出力近くになっていることがある。

そこで、監視部６３は、少なくとも１つの加熱源Ｈ_ｎにおける差ΔＥ_ｎが上限値ΔＥｍａｘ_ｎを超える場合（ΔＥ_ｎ＞ΔＥｍａｘ_ｎ）、少なくとも１つのゾーンＨ_ｎの設定温度を調整する。調整量は、差ΔＥ_ｎが上限値ΔＥｍａｘ_ｎをどの程度超えるかで決定されてよい。

例えば、監視部６３は、図４に斜線で示すように、差ΔＥ_ｎが上限値ΔＥｍａｘ_ｎを超えるゾーンＺ_ｎ（図４の場合、ゾーンＺ_１、Ｚ_２）の設定温度を低くする。加熱源Ｈ_１、Ｈ_２がシリンダ１１に与えるべき熱量が少なくなり、加熱源Ｈ_１、Ｈ_２の出力が定格出力よりも十分に低くなり、シリンダ１１の温度が設定温度で安定化する。

尚、監視部６３は、差ΔＥ_ｎが上限値ΔＥｍａｘ_ｎ以下のゾーンＺ_ｎ（図４の場合、ゾーンＺ_３、Ｚ_４）の設定温度を高くし、加熱源Ｈ_３、Ｈ_４の出力を上げてもよい。隣り合うゾーンの間では熱のやり取りがあるので、余力のある加熱源Ｈ_３、Ｈ_４の出力を上げることで、余力のない加熱源Ｈ_１、Ｈ_２の出力を下げることができる。

尚、上限値ΔＥｍａｘ_ｎは、図４では複数の加熱源Ｈ_ｎで同じ値に設定されているが、加熱源Ｈ_ｎ毎に異なる値に設定されてもよい。

以上、射出成形機について実施形態で説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲内で、種々の変形、改良が可能である。

例えば、上記実施形態の加熱源Ｈ_１〜Ｈ_４は、シリンダ１１を外側から加熱するヒータであるが、例えばシリンダ１１を誘導加熱する誘導加熱コイルでもよく、加熱源の種類は特に限定されない。

また、上記実施形態の射出成形機は、スクリュ・インライン方式のものであるが、スクリュ・プリプラ方式のものでもよい。スクリュ・プリプラ方式では、可塑化用シリンダ内で溶融された樹脂を射出用シリンダに供給し、射出用シリンダから金型装置内に溶融樹脂を射出する。スクリュ・プリプラ方式では、加熱源によって加熱されるシリンダは可塑化用シリンダであって、可塑化用シリンダ内にスクリュが配設される。

１０ 射出成形機
１１ シリンダ
１２ ノズル
１３ スクリュ
６０ コントローラ
６３ 監視部
Ｈ_１〜Ｈ_４ 加熱源
Ｚ_１〜Ｚ_４ ゾーン

Claims (5)

1. 成形材料が供給されるシリンダと、
   前記シリンダ内に回転自在に且つ軸方向に移動自在に配設されるスクリュと、
   前記シリンダを加熱する少なくとも１つの加熱源と、
   加熱源毎に、成形時における加熱源の加熱エネルギーＥｍと、定常時における加熱源の加熱エネルギーＥｉとの差ΔＥ（ΔＥ＝Ｅｍ−Ｅｉ）を監視する監視部とを備える、射出成形機。
2. 前記監視部は、監視結果に基づいて、前記シリンダの各加熱源によって加熱されるゾーンの設定温度を調整する、請求項１に記載の射出成形機。
3. 前記シリンダを加熱する加熱源が、前記シリンダの軸方向に沿って複数配列されており、
   前記監視部は、一の加熱源での差ΔＥに基づいて、他の加熱源によって加熱されるゾーンの設定温度を調整する、請求項２に記載の射出成形機。
4. 前記監視部は、少なくとも１つの加熱源での差ΔＥが下限値ΔＥｍｉｎを下回る場合（ΔＥ＜ΔＥｍｉｎ）、少なくとも１つのゾーンの設定温度を高くする、請求項２又は３に記載の射出成形機。
5. 前記監視部は、少なくとも１つの加熱源での差ΔＥが上限値ΔＥｍａｘを超える場合（ΔＥ＞ΔＥｍａｘ）、少なくとも１つのゾーンの設定温度を調整する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の射出成形機。

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